Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1279127 bytes, checksum: 1105a6754e6a3c23ca4d9086f96248a1 (MD5) Previous issue date: 2011-02-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / We study two problems involving granular media, the heat transport in viscous granular gases and the mechanical pulse propagation in a granular chains of toroidal ring. To study the heat transport in granular gases, we consider two mechanisms of viscous dissipation during collisions between grains. In the first mechanism, the dissipative force is proportional to the speed of the grain and dissipates not only energy but also momentum. On the other hand, the dissipative force is proportional to the relative velocity of grains and therefore conserves momentum when it dissipates energy. This allows us to explore the role of the conservation of momentum in the heat transport properties of one-dimensional nonlinear systems. We found a thermal conductivity not divergent with or without conservation of momentum. For the system where there is conservation of momentum we obtain the heat flux decreases faster than the energy loss by inelastic dissipation due to shocks, unlike what happens with the momentum conserving system, indicating that the conservation of momentum has a role relevant. We also implemented an approximation of binary collisions to study the propagation of pulses in a onedimensional chain of O-rings. In particular, we get the analytical results from which the pulse velocity is obtained by simple quadrature. The pulse velocity thus calculated is compared with the velocity obtained by numerical integration of the equations of motion. We study chains with and without precompression, chains precompressed by a constant force at both ends (constant precompression), chains precompressed by gravity (variable precompression). The application of binary collisions approximation for precompressed chains gives us an important generalization of a theory, which until then had been developed for chains without precompression, in other words sonic vacuum state. The velocities calculated using the approximation of binary collisions showed a good agreement with the results obtained from numerical simulations, with relative errors lesser than 8%. / Estudamos dois problemas envolvendo meios granulares, o transporte de calor em gases granulares viscosos e a propagação de pulsos mecânicos em cadeias granulares de anéis toróidais. Para estudar o transporte de calor em gases granulares, consideramos dois mecanismos de dissipação viscosa durante as colisões entre grãos. No primeiro mecanismo, a força dissipativa é proporcional á velocidade do grão e dissipa não apenas energia mas também momentum. No outro, a força dissipativa é proporcional a velocidade relativa dos grãos e portanto conserva momento mesmo quando dissipa energia. Isso nos permite explorar o papel da conservação do momento nas propriedades de transporte de calor desse sistema não linear unidimensional. Encontramos uma condutividade térmica não divergente com ou sem conservação de momento. Para o sistema onde não há conservação do momento obtemos que o fluxo de calor decresce mais rapidamente do que a perda de energia por dissipação devido aos choques inelásticos, diferente do que ocorre no sistema com momento conservado, indicando que a conservação de momento apresenta um papel relevante. Também implementamos uma aproximação de colisões binárias para estudar a propagação de pulsos em uma cadeia de unidimensional de anéis toroidais (O-rings). Em particular, chegamos a resultados analíticos a partir dos quais a velocidade do pulso é obtida por quadratura simples. A velocidade do pulso assim calculada é comparada com a velocidade obtida por integraçãoo numérica das equações de movimento. Estudamos cadeias com e sem precompressão, cadeias precomprimidas por uma força constante nas duas extremidades, (precompressão constante) e cadeias precomprimidas pela gravidade (precompressão variável). A aplicação da aproximação de colisões binárias para cadeias precomprimidas nos dá uma importante generalização de uma teoria que até então só havia sido desenvolvida para cadeias sem precompressão, ou seja, para cadeias em vácuo sônico. As velocidades calculadas usando a aproximação de colisões binárias apresentaram uma boa concordância com os resultados obtidos a partir das simulações numéricas, com erros relativos inferiores a 8%.

Des études de terrain, expérimentales et numériques ont été menées pour rendre compte de l'incision des rivières à fond rocheux par le transport sédimentaire. Toutefois, le caractère fluctuant du système étudié rend difficile l'établissement de lois générales. La thèse s'articule autour de l'analyse des résultats fournis par un programme informatique qui simule la mise en mouvement de sédiments par un écoulement turbulent. La modélisation et l'intégration des interactions entre les sédiments et le fluide ainsi que les contacts entre sédiments se basent sur la description mécanistique du système. La validation du modèle numérique a été effectuée par la comparaison de paramètres dont les valeurs pour des rivières naturelles ou expérimentales sont abondantes dans la littérature. Le nombre de Shields critique de mise en mouvement, la relation entre la vitesse du fluide et le débit de sédiment sont ces grandeurs de références. Le travail échangé entre les sédiments et le fond est comptabilisé et ce flux d'énergie est rattaché au taux d'érosion avec des paramètres mécaniques de la roche. Nous avons établi une relation entre le taux d'érosion et le nombre de Shields. Les variations du taux d'incision avec masse de sédiment présente dans le lit de la rivière montrent que nous reproduisons le « tool-effect » et le « cover-effect ». Nous prédisons l'existence d'un nombre de Shields critique propre à l'incision qui est supérieur au nombre de Shields critique de transport. Les travaux échangés entre la couverture sédimentaire et les parois du canal permettent de quantifie le taux d'érosion latérale. Les travaux échangés au sein de la couverture sédimentaire sont utilisés pour évaluer le taux d'usure des sédiments. À partir du bilan de puissance du sous-système couverture sédimentaire, nous proposons un scénario pour la croissance du chenal d'une rivière à fond rocheux. Plusieurs études paramétriques rendent compte de l'influence de la rugosité du fond, du coefficient de restitution et de la gravité. / Field measurements, empirical studies and numerical approaches had been led in order to explain bedrock river incision due to transport of sediments. However, the studied system is roughly fluctuating, what make difficult to establish general laws. The thesis is based on the analysis of data extracted from a numerical code that simulate the motion of sediment by a turbulent flow. The interactions between the sediments and the fluid and the contact between sediments are modeled on physical basis and integrated following the principles of mechanics. The numerical process has been validated by comparison between two parameters extracted from natural rivers and experimental setup. The critical Shields number for sediment transport and the relationship between flow velocity and flux of sediments has been compared to values taken from literature. The work of dissipative forces between sediments and bedrock is computed. We propose a quantification of vertical incision rate based on rock resistance parameters. We have established a relationship between incision rate and Shields number that fit with a power law. We reproduce the two antagonistic effects that rules incision process: tool-effect and cover-effect. We predict the existence of a critical Shields number for incision that is higher than sediment transport threshold. We quantify the lateral incision rate with the work of dissipative forces between channel benches and sediments. We also quantify the attrition rate of the sediments with the value of energy dissipated within the sediment cover. The power balance of the sub-system sediment cover gives basis that lead to a scenario for bedrock river channel growth. Other results about influence of bedrock roughness, coefficient of restitution and surface gravity on incision rate are exposed.

Autour de nous, les systèmes granulaires sont omniprésents et rarement dissociés d'une phase liquide ou gazeuse. L'interaction entre les deux phases (solide et fluide) implique une dynamique d'écoulement complexe de ces systèmes couplés. Cette thèse expérimentale a pour but de caractériser la dynamique d'effondrement gravitaire instationnaire d'une colonne fluide-grains dans différentes configurations de mélange diphasique. Considérant uniquement l'effet des grains au sein du fluide, la dynamique d'écoulement d'une suspension isodense dans l'air est d'abord abordée avec une description macroscopique. En particulier, La rhéologie du fluide apparent est extraite à partir de l'évolution temporelle du front en utilisant des solutions auto-similaires, modèles de la dynamique de propagation aux temps longs. Sur la gamme du nombre de Reynolds étudiée, la dynamique d'écoulement de la suspension est décrite comme celle d'un fluide apparent Newtonien ou non-Newtonien (rhéofluidifiant, rhéoépaississant, viscoplastique) dépendant des paramètres considérés (fraction volumique, viscosité du fluide interstitiel, diamètre des grains, protocole de préparation). Afin de décrire la configuration opposée d'un massif sédimentaire pour lequel les interactions entre particules solides deviennent dominantes, la configuration d'une colonne granulaire dense saturée en fluide, i.e. où les grains sont plus lourds que le fluide porteur, est ensuite étudiée. Un travail préliminaire est consacré à la caractérisation de l'effondrement d'une colonne granulaire totalement immergée dans un fluide. Le rôle dissipatif de ce dernier sur le milieu granulaire est mis en évidence par une analyse de la dynamique d'effondrement et des caractéristiques du dépôt final. Cette caractérisation permet de classifier les régimes d'effondrement en fonction de la viscosité et de la masse volumique du fluide environnant, i.e. du nombre de Stokes et du rapport de masse volumique entre le fluide et les grains. Dans le cas triphasique, i.e. lorsque la colonne fluide-grains s'effondre dans l'air, la dynamique peut être fortement affectée par les effets capillaires à travers le nombre de Bond qui contrôle alors la mise en mouvement de la colonne initiale. Quand ces effets deviennent négligeables à l'échelle de la colonne et à celle du grain, le fluide interstitiel peut jouer un rôle moteur ou dissipatif vis-à-vis dumilieu granulaire conduisant à une longueur d'étalement plus ou moins importante en comparaison au cas sec. Le rôle du fluide interstitiel dépend essentiellement de sa viscosité modifiant, par la même occasion, la dynamique d'effondrement. Enfin, une étude préliminaire sur la dynamique d'écoulement d'une suspension non-isodense, initialement homogène, est réalisée. Cette configuration, à la transition des situations décrites précédemment, permet d'aborder le couplage de la dynamique de sédimentation des grains et celle du courant. En particulier, nous observons que la vitesse de sédimentation décroît avec l'augmentation de la fraction volumiqueinitiale en particules. / On the Earth's surface, granular medias are ubiquitous and they are rarely dissociated from a liquid or a gas. The fluid-solid interaction leads to a complex flow dynamics of these coupled systems. This experimental work aims at characterizing the dynamics of the unsteady gravitydrivencollapse of a granular-fluid column within different configurations of the diphasic mixture. First, the flow dynamics of a neutrally buoyant suspension in air are characterized based on a macroscopic description of the flow. In particular, the rheological parameters of the apparent fluid have been extracted using the temporal evolution of the propagating front and self-similar solutions, models of the propagating dynamics at long times. In the considered range of the Reynolds number, the flow dynamics are described as an apparent Newtonian or non-Newtonian (shear-thinning/-thickening, viscoplastic) fluid depending on the various parameters (volume fraction, viscosity of the interstitial fluid, particle diameter, mixing protocol). In order to describe the opposite case of a sedimentary environment where particle-particle interaction becomes dominant, a second part of this work investigates the case of a fluid-saturated granular collapse, i.e. for which particles are heavier than the carrier fluid, in a dense packing configuration. For this purpose, a first part of the study is dedicated to characterize the collapse of an immersed granular column. The dissipative role of the fluid on the granular media is highlighted by an analysis of the collapse dynamics and the characteristics of the final deposit. This characterization allows to classify the regimes of the collapse depending on the viscosity and the density of the surrounding fluid, i.e. the Stokes number and the fluid-grain density ratio. In the triphasic case, i.e. when the granular-fluid column collapses in air, the dynamics may be strongly affected by capillary effects through the Bond number which controls the initial dynamics of the column. When these effects can be neglected (large Bond number) at the column and grain scales, the interstitial fluid can have a driven or a dissipative role on the granular media leading to a runout length more or less extended in comparison to the dry case. The role of the interstitial fluid depends mainly on its viscosity which also modifies the collapse dynamics. Finally, a preliminary study is realized on the flow dynamics of an initially homogeneous negative buoyant suspension column. This case, which makes the transition between the above mentioned configurations, allows to study the coupling between the settling dynamics of particles and this of the current. In particular, we observe that the settling velocity decreases with the increase of the initial volume fraction of particles.

La liquéfaction des sols s'observe lors de forts séismes dans des zones saturées en eau et peut causer un enfoncemenl des bâtiments dans le sol. On propose ici un nouveau modèle qui explique de nombreux cas de liquéfaction incompris jusque là. Un modèle analytique de milieu granulaire a été conçu avec une sphère modélisant un bâtiment. Le milieu est soumis à une oscillation horizontale et on caractérise l'état liquéfié par l'amplitude d'enfoncement de la sphère. On suppose que la liquéfaction a lieu lorsque la secousse permet aux grains du milieu de glisser les uns sur les autres. La fenêtre d'accélération permettant ce glissement dépend de la hauteur d'eau dans le milieu, du coefficient de frottement et de la densité du matériau. Les expériences et les simulations numériques réalisées confirment nos prédictions précédentes, caractérisent la micromécanique des milieux liquéfiés, expliquent la vitesse de pénétration de la sphère et ouvrent des pistes pour l'étude des sables mouvants. / Sail liquefaction happens during important earthquakes in water-saturated zones and can make the buildings sink in the soil. A new model explaining many occurences of liquefaction we cannot understand yet is presented in this paper. A new analytical model of granular medium, with a sphere representing a building, has been developed. A horizontal oscillation is applied on the medium. The penetration rate of the sphere then caracterizes the liquefaction state of the modeled soil. We suppose that liquefaction happens when the shaking makes the grains slide against one another. The interval of acceleration allowing this sliding depends on the water height in the medium, on the friction coefficient and on the material density. Experiments and numerical simulations have been carried out. They confirmed our previous predictions, they caracterize the micromecanics of liquefied media, they explain the penetration speed of the sphere and they suggest perspectives to study quicksands.

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Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique des forces s'exerçant sur un objet en mouvement dans un milieu granulaire. La compréhension précise de ces forces présente en effet d'importants intérêts fondamentaux (rhéologie des milieux granulaires, phénomène de ségrégation) et appliqués (robotique, locomotion animale ...). Expérimentalement, un cylindre horizontal est mis en rotation à faible vitesse dans un bac de billes de verre. Les forces s'exerçant sur cet objet dans la direction du mouvement (forces de traînée) et dans la direction verticale (forces de portance) sont mesurées.Lors du premier demi-tour, avant que le cylindre ne repasse dans son propre sillage, nous mettons en évidence l'existence d'une force de portance élevée sur l'objet (bien qu'il soit symétrique), de l'ordre de 20 fois la poussée d'Archimède du milieu, et indépendante de la profondeur. Des études numériques de dynamique moléculaire (méthode éléments discrets) permettent de comprendre comment cette portance émerge de la modification de l'écoulement granulaire par la présence d'un gradient de pression dans le milieu. Aux temps longs, après plusieurs rotations du cylindre, on observe une chute de la force de traînée, qui devient indépendante de la profondeur. Le milieu se structure sous l'effet des passages répétés du cylindre dans son sillage, ce qui écrante le poids des grains situés au dessus. Enfin, une étude numérique des forces sur une grosse particule en écoulement avec le milieu granulaire est ébauchée, en lien avec le phénomène de ségrégation granulaire. / This thesis presents an experimental and numerical study of the forces experienced by an object moving in granular media. This problem, which is of practical importance in many applications (robots, animal locomotion), is also of fundamental interest (rheology of granular materials, granular segregation). The experiment consists in a horizontal cylinder rotating around the vertical axis in glass beads. Both drag forces and lift forces experienced by the cylinder are measured.During the first half rotation, before the cylinder crosses its own wake, we measure a strong lift force (despite the symmetry of the object), about 20 times the buoyancy of the cylinder, and independent of its depth. Molecular dynamic simulations (Discrete Element Method) shed lights on how this lift force arises from the modification of the grain flow due to the pressure gradient in the medium. After several rotations, when the cylinder goes through its own wake, the drag force drops and becomes independent of depth. The rotation of the cylinder induces a structure in the granular packing, which screens the weight of the grains above it. Finally, a numerical study of forces on a large particle flowing with the granular medium is sketched, in relation with the phenomenon of granular segregation.

Cette thèse expérimentale porte sur les ondes ultrasonores se propageant dans un milieu granulaire sec, sous contrainte. Dans une première partie, on s'intéresse à la propagation des ondes cohérentes de grande longueur d'onde. La mesure des vitesses de ces ondes en fonction de la contrainte et de la fréquence, montre que les propriétés élastiques du milieu résultent du contact de type Hertz-Mindlin, et que le milieu est non dispersif. La mesure d'atténuation indique un mécanisme dominant du type diffraction de Rayleigh. La propagation d'une onde de Biot à travers l'air dans un empilement sous gravité a été aussi mise en évidence. Dans une seconde partie, on s'est intéressé à la diffusion multiple d'onde acoustique. Nous avons déduit le coefficient de diffusion et le temps inélastique d'absorption en fonction de la contrainte et de la fréquence d'excitation. Le libre parcours moyen de transport a été déterminé en fonction du rapport de la longueur d'onde sur la taille de grains, montrant deux régimes distincts à basse et à haute fréquence. La dernière partie, porte sur le comportement non linéaire hystérétique d'un milieu granulaire, par méthode de résonance. Les modes fondamentaux d'ondes cohérentes ont été étudiés en fonction de l'amplitude d'excitation et de la contrainte de confinement. Un ramollissement élastique de 10%, pour l'onde longitudinale, et de 20%, pour l'onde transversale, sont observés, en bon accord avec un modèle de milieu effectif basé sur la théorie de Mindlin. Les effets d'interaction irréversible son-matière ont été examinés, tels que la compaction intermittente et le processus de cicatrisation. Enfin, on observe que l'atténuation de l'onde transversale dépend conjointement de l'amplitude d'excitation et de la fréquence / This experimental work deals with the ultrasound propagation in a dry granular medium under stress. The first chapter of the thesis concerns the coherent wave propagation in the long-wavelength limit. The measurement of sound velocity as a function of the applied stress and wave frequency confirm that the nonlinear elasticity of the medium originates from the Hertz-Mindlin contact and show that the medium is free of velocity-dispersion. On the other hand, the amplitude measurement reveals that the dominant mechanism of attenuation is due to the Rayleigh-like scattering. Additionally, the airborne Biot wave is observed and investigated. The second chapter is devoted to the diffusively scattered ultrasound. We particularly determine the diffusion coefficient and the inelastic absorption time as a function of stress and frequency. The mean transport free path was investigated versus the ratio of the wavelength to the grain size, which shows two distinct behaviours at low and high frequencies, respectively. The third and last chapter is focused on the hysteretic nonlinear behaviour studied by the resonance method. The fundamental modes of coherent waves are investigated as a function of the applied stress and excitation amplitude. The softening of elastic modulus is observed and can rises to 10% for the longitudinal wave and 20% for the transversal wave, which are in good agreement with the model prediction based on the Mindlin friction theory. Furthermore, the irreversible sound-matter interaction is examined; the intermittent compaction and the slow healing process are observed. Finally, the attenuation of transversal waves is shown to depend simultaneously on wave amplitude and frequency

Les milieux granulaires sont très étudiés depuis des décennies mais la description de l'ensemble des comportements observés de ces matériaux reste une grande question ouverte. Lorsqu'ils sont soumis à une contrainte suffisamment importante, une caractéristique est de présenter de la localisation de la déformation. L'objectif du travail présenté dans ce mémoire est d'étudier expérimentalement et numériquement la déformation d'un milieu granulaire et de caractériser des comportements observés lors d'un text biaxial. La première partie est consacrée à la réalisation des tests biaxiaux en déformation plane. Pour pouvoir visualiser de très petites déformations, nous utilisons une méthode interférométrique basée sur la diffusion multiple de la lumière. La deuxième partie est dédiée à la modélisation numérique d'un test biaxial en 2D dans des conditions similaires à celles de l'expérience par la méthode des éléments discrets. Enfin, dans la dernière partie, des outils développés pour l'analyse d'images utilisés pour étudier aussi bien les expériences que les simulations numériques sont abordés. L'étude du champ plastique moyen dans les expériences montre que la localisation de la déformation est un processus progressif initié par une bifurcation qui correspond à l'apparition d'une direction bien définie. Cette direction est en accord avec l'angle de Mohr-Coulomb et son apparition a lieu avant la rupture du matériau. L'étude des fluctuations de la plasticité dans les expériences et les simulations numériques semble mettre en évidence une croissance d'une longueur caractéristique. / Granular materials have been studied for decades, but the description of the behaviors observed of these materials is still an open question. They display localization of deformation when submitted to a large enough stress. The objective of this work is to study experimentally and numerically the deformation of a granular material and to characterize observed behaviors in a biaxial text. The first part is devoted to the realization of plane strain biaxial tests. In order to visualize very small deformations, we use an interferometric method based on the multiple light scattering. The second part is devoted to the numerical modeling of a 2D biaxial test under conditions similar to those of the experiment by the discrete element method. Finally, in the last part, tools developed for the analysis of images used to study as well the experiences as the numerical simulations are approached. The study of the average plastic field in the experiments shows that the localization of the deformation is a progressive process initiated by a bifurcation which corresponds to the appearance of a well defined direction. This direction is in agreement with the angle of Mohr-Coulomb and its appearance takes place before the failure of the material. The study of the fluctuations of the plasticity in the experiments and the numerical simulations seems to show an increase of a characteristic length.

Cette thèse se focalise sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux, problématique rencontrée dans des domaines variés allant de la physique fondamentale à la chimie appliquée. Nous avons caractérisé expérimentalement les régimes hydrodynamiques dans deux géométries différentes : un canal millifluidique (écoulement quasi-1D) et une cellule de Hele-Shaw (écoulement quasi-2D). L’originalité de ce travail est d’analyser l’effet du milieu poreux (lits de billes polydisperses ou mousses solides à cellules ouvertes), du confinement (1D/2D) et de la gravité en couplant des approches locales et globales développées dans les communautés de physique expérimentale et de génie chimique. D’une part, une analyse globale a permis de quantifier les pertes de charge [1] et, basée sur le transport d’un traceur fluorescent, les distributions de temps de séjour [2] et le transfert gaz-liquide dans l’expérience 1D ; d’autre part, une analyse locale de la fraction liquide et l’évolution spatio-temporelle de son contenu fréquentiel ont permis de mettre en évidence deux régimes hydrodynamiques dans le canal millifluidique [3-5] : un régime pseudo-Taylor, où les caractéristiques de l’écoulement périodique amont sont conservées, et un régime modulé, pour lequel l’écoulement se désorganise à l’entrée du milieu poreux. Un modèle phénoménologique basé sur la propagation des bulles dans le milieu est proposé, et rend compte de l’existence de ces deux régimes [4,5]. Enfin, ces deux analyses sont couplées pour étudier les écoulements dans la cellule de Hele-Shaw, et une analyse dimensionnelle de l’effet du confinement et de la gravité sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux est proposée.Références –[1] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Geophys. Res. Lett. (2017). [2] M. Serres, D. Schweich, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Chem. Eng. Sci. (2017).[3] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, Compte-rendus de la 19e Rencontre du Non-Linéaire, Eds. E. Falcon, M. Lefranc, F. Pétrélis & C.-T. Pham, Non-Linéaire Publications, 109-114 (2016).[4] M. Serres, M.-L. Zanota, R. Philippe & V. Vidal, Int. J. Multiphase Flow 85, 157-163 (2016).[5] M. Serres, T. Maison, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Int. J. Multiphase Flow (2017). / This thesis focuses on gas-liquid flow in porous media, a common problem encountered in various domains from fundamental physics to applied chemical engineering. We have characterized the hydrodynamic regimes based on two different experimental devices geometry: a millichannel (1D flow) and a Hele-Shaw cell (2D flow). The originality of this work is to analyze the influence of the porous medium (monodisperse micro-packed beds or open cell solid foams), confinement (1D/2D) and gravity by coupling global and local analysis from either chemical engineering or fundamental physics community. On the one hand, a global analysis made it possible to quantify pressure drops, residence time distributions (RTD) based on fluorescent dye transport and gas-liquid mass transfer on the 1D device. On the other hand, a local analysis of the liquid fraction and the spatio-temporal evolution of its frequency pointed out the existence of two hydrodynamic regimes: a Taylor-like regime in which the characteristics of the periodic flow upstream are conserved in the porous medium and a modulated regime characterized by the flow disorganization at the porous medium entrance. A phenomenological model is developed based on bubbles propagation inside the medium and reproduces well both regimes. These two analyses are finally coupled to study multiphase flows inside the Hele-Shaw cell. The effects of gravity and confinement are discussed.

Une forte concurrence avec d'autres moyens de transport a poussé l’industrie ferroviaire à se réinventer et rechercher des performances toujours plus élevées. De nos jours, l’obtention de vitesses chaque fois plus élevées exige le développement de modèles numériques précis pour concevoir et prédire le comportement des voies ferrées sous les contraintes mécaniques imposées par le passage du convoi. Dans cette thèse, nous avons concentré l'étude sur la couche de ballast. Ce composant présente un comportement mécanique complexe, lié à la nature granulaire de ses composants, il peut être solide, liquide ou gazeux.Ce comportement dépend de l'état de contrainte et de l'historique de déformation du milieu.Deux classes de modèles numériques sont couramment utilisées pour prédire le comportement de ces systèmes : (1) les approches discrètes et (2) les approches continues. Pour ces premières, chaque grain du ballast est représenté par un corps rigide et interagit avec ses voisins parle biais de forces de contact non linéaires en utilisant, par exemple, la méthode de dynamique non régulière des contacts. En raison des limites de calcul, ce type de méthode ne peut résoudre que quelques mètres de longueur de ballast. Le couplage avec le sol sous la couche de ballast et avec les traverses reste également un problème non résolu dans la littérature. Pour les approches continues, le ballast est remplacé par un milieu continu homogénéisé, de façon à permettre l’utilisation de la méthode par éléments finis classique (EF). Cependant, ces modèles sont normalement utilisés avec des paramètres mécaniques homogènes, de sorte qu'ils ne représentent pas complètement l'hétérogénéité des déformations et des contraintes dans la couche de ballast.Nous étudions dans cette thèse une approche alternative, utilisant un modèle de continuum hétérogène stochastique, qui peut être résolu avec une méthode par éléments finis tout en conservant dans une large mesure l'hétérogénéité des champs de contrainte et de déformation.L'objectif de ce modèle continu est de représenter statistiquement l'hétérogénéité du champ de contraintes dans un modèle de milieu continu ainsi que dans un modèle granulaire discret. Pour ce faire, les propriétés mécaniques sont représentées à l'aide de champs aléatoires. La présente thèse est divisée en trois parties: (1) la construction du modèle et l'identification des paramètres du matériau continuum (densité marginale de premier ordre, moyenne, variance, modèle de corrélation) ;(2) la propagation des ondes dans une voie ferrée ballastée et (3) l’exploration préliminaire de deux ensembles de données expérimentales. La première partie définit le modèle du continuum à fluctuations aléatoires et identifie les paramètres de notre modèle de continuum sur de petits échantillons cylindriques de ballast discret. Des modèles continus équivalents aux échantillons discrets sont générés et résolus en utilisant la méthode EF, et le champ stochastique utilisé pour fournir les propriétés mécaniques. Un processus d'optimisation est utilisé pour trouver une variance normalisée pour le matériau hétérogène stochastique. La deuxième partie de ce travail se concentre sur la résolution des équations dynamiques sur un modèle à grande échelle d'une voie ferrée ballastée utilisant la méthode des éléments spectraux. L'influence de l'hétérogénéité est mise en évidence et étudiée. En conséquence,des courbes de dispersion sont obtenues. Enfin, la troisième partie présente deux jeux de données distincts de mesures expérimentales sur le matériau de ballast : (1) une boîte de ballast ; (2) un passage de train dans un segment de voie ferrée ballastée.Les courbes de mobilité ont été extraites de l'expérience sur les ballasts. Un problème inverse a été résolu afin d'estimer la vitesse de l'onde homogénéisée et la vitesse de l'onde locale dans le milieu. Les passages de trains enregistrés pour l'analyse de la vibration à moyenne fréquences. / The stronger competition with other means of transportation has increased the demand for performance in the railway industry. One way to achieve higher performance is using accurate numerical models to design/predict railways tracks behaviour. Two classes of numerical models are commonly used to predict the behaviour of these systems: (i) discrete approaches and (ii) continuum approaches. In the former, each grain of the ballast is represented by a rigid body and interacts with its neighbours through nonlinear contact forces using, for example, the nonsmooth contact dynamics method. Due to computational limits, this kind of method can only solve a few meters-length of ballast. The coupling with the soil under the ballast layer and with the sleepers also remains an open problem. In continuum approaches, the ballast is replaced by a homogenized continuum and the classical Finite Element (FE) Method (or similar) is used. However, they are normally used with homogeneous mechanical parameters, so that they do not represent fully the heterogeneity of the strains and stresses within the ballast layer. We investigate in this thesis an alternative approach using a stochastic heterogeneous continuum model, that can be solved with a FElike method while retaining to a large degree the heterogeneity of the stress and strain fields. The objective of this continuous model is to represent statistically the heterogeneity of the stress field in a continuum model as well as in a discrete granular model. To do this, the mechanical properties are represented using random fields. The present thesis is divided into three parts: (1) the construction of the model and the identification of the parameters of the continuum material (first-order marginal density, mean, variance, correlation model, and correlation length); (2) wave propagation in a ballasted railway track. (3) preliminary exploration of two experimental datasets. The first part sets the randomly-fluctuating continuum model and identifies the parameters of our continuum model on small cylindrical samples of discrete ballast. Continuum models equivalent to the discrete samples are generated and solved using the FE method, and the stochastic field used as mechanical properties. An optimization process is used to find a normalized variance for the stochastic heterogeneous material. The second part of this work concentrates on the solution of the dynamical equations on a large-scale model of a ballasted railway track using the Spectral Element Method. The influence of the heterogeneity is highlighted and studied. As a result, dispersion curves are obtained. Finally, the third part presents two distinct datasets of experimental measurements on ballast material: (1) a ballast box; (2) a train passage in a segment of ballasted railway track. Mobility curves were extracted from the ballast box experiment. An inverse problem was solved in order to estimate the homogenized wave velocity and local wave velocity in the medium. The trains pass-by recorded for the analysis of the vibration at medium frequencies.